Reklaam portaalis

Valgu loomulikud omadused määratakse selle struktuuri järgi. Tertsiaarne struktuur. Tunni teoreetilised alused

Valgumolekuli struktuurse korralduse 4 taseme olemasolu on tõestatud.

Valgu esmane struktuur- aminohappejääkide paiknemise järjestus polüpeptiidahelas. Valkudes on üksikud aminohapped omavahel seotud peptiidsidemed mis tulenevad aminohapete a-karboksüül- ja a-aminorühmade interaktsioonist.

Praeguseks on dešifreeritud kümnete tuhandete erinevate valkude esmane struktuur. Valgu primaarse struktuuri määramiseks määratakse aminohapete koostis hüdrolüüsimeetoditega. Seejärel määratakse terminaalsete aminohapete keemiline olemus. Järgmine samm on polüpeptiidahela aminohappejärjestuse määramine. Selleks kasutatakse selektiivset osalist (keemilist ja ensümaatilist) hüdrolüüsi. Võimalik on kasutada röntgenkiirte struktuurianalüüsi, samuti andmeid DNA komplementaarse nukleotiidjärjestuse kohta.

Sekundaarne valgu struktuur- polüpeptiidahela konfiguratsioon, s.o. meetod polüpeptiidahela pakkimiseks spetsiifilisse konformatsiooni. See protsess ei kulge kaootiliselt, vaid vastavalt algstruktuuris sätestatud programmile.

Sekundaarse struktuuri stabiilsuse tagavad peamiselt vesiniksidemed, kuid teatud panuse annavad kovalentsed sidemed - peptiid ja disulfiid.

Arvatakse kõige tõenäolisemat tüüpi kerakujulisi valke a-heeliks... Polüpeptiidahela keerdumine toimub päripäeva. Iga valku iseloomustab teatav spiraliseerumisaste. Kui hemoglobiiniahelad on spiraalitud 75%, siis pepsiini on ainult 30%.

Seda nimetatakse juuste, siidi ja lihaste valkudes leiduvate polüpeptiidahelate konfiguratsiooni tüüpi b-struktuurid... Peptiidahela segmendid on paigutatud ühte kihti, moodustades akordionis volditud lehe sarnase kujundi. Kihti saab moodustada kahe või suur summa peptiidahelad.

Looduses leidub valke, mille struktuur ei vasta ei β- ega a-struktuurile, näiteks kollageen, fibrillaarne valk, mis moodustab põhiosa inimeste ja loomade sidekoest.

Valkude tertsiaarne struktuur- polüpeptiidheeliksi ruumiline orientatsioon või meetod polüpeptiidahela voltimiseks teatud mahus. Esimene valk, mille tertsiaarne struktuur selgus röntgendifraktsioonianalüüsiga, on kašelotti müoglobiin (joonis 2).

Valkude ruumilise struktuuri stabiliseerimisel on lisaks kovalentsetele sidemetele põhiroll ka mittekovalentsetel sidemetel (vesinik, laetud rühmade elektrostaatilised vastasmõjud, molekulidevahelised van der Waalsi jõud, hüdrofoobsed vastasmõjud jne).

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt moodustub valgu tertsiaarne struktuur pärast selle sünteesi lõppu spontaanselt. Põhiline liikumapanev jõud on aminohapete radikaalide koostoime veemolekulidega. Sel juhul on mittepolaarsed hüdrofoobsed aminohapperadikaalid sukeldatud valgu molekuli sisse ja polaarsed radikaalid on orienteeritud vee poole. Polüpeptiidahela natiivse ruumilise struktuuri moodustumise protsessi nimetatakse kokkuklapitavad... Valgud eraldatakse rakkudest, nn saatjad. Nad osalevad voltimises. Kirjeldatud on mitmeid inimese pärilikke haigusi, mille arengut seostatakse voltimisprotsessi mutatsioonidest (pigmentoos, fibroos jne) tingitud rikkumisega.

Valgu molekuli struktuurse korralduse tasemete olemasolu sekundaarse ja tertsiaarse struktuuri vahel on tõestatud röntgendifraktsioonianalüüsi meetoditega. Domeen on kompaktne kerakujuline struktuuriüksus polüpeptiidahela sees (joonis 3). On avastatud palju valke (näiteks immunoglobuliine), mis koosnevad erineva struktuuri ja funktsiooniga domeenidest, mida kodeerivad erinevad geenid.

Kõik valkude bioloogilised omadused on seotud nende tertsiaarse struktuuri säilitamisega, mida nimetatakse emakeelena... Valgugloobul ei ole absoluutselt jäik struktuur: peptiidahela osade pöörduvad liikumised on võimalikud. Need muutused ei riku molekuli üldist konformatsiooni. Valgumolekuli konformatsiooni mõjutavad söötme pH, lahuse ioontugevus ja koostoime teiste ainetega. Mis tahes mõjuga, mis põhjustab molekuli natiivse konformatsiooni rikkumist, kaasneb valgu bioloogiliste omaduste osaline või täielik kadumine.

Kvaternaarne valgu struktuur- meetod üksikute polüpeptiidahelate paigutamiseks ruumis, millel on sama või erinev primaarne, sekundaarne või tertsiaarne struktuur, ning struktuurilises ja funktsionaalses mõttes üksiku makromolekulaarse moodustise moodustamine.

Valgumolekuli, mis koosneb mitmest polüpeptiidahelast, nimetatakse oligomeer ja iga selles sisalduv kett - protomeeter... Oligomeersed valgud on sageli üles ehitatud paarisarvust protomeeridest, näiteks hemoglobiini molekul koosneb kahest a- ja kahest b-polüpeptiidahelast (joonis 4).

Umbes 5% valkudest, sealhulgas hemoglobiin ja immunoglobuliinid, on kvaternaarse struktuuriga. Alaühiku struktuur on iseloomulik paljudele ensüümidele.

Kvaternaarse struktuuriga valgu moodustavad valgumolekulid moodustuvad ribosoomidel eraldi ja alles pärast sünteesi lõppu moodustavad ühise supramolekulaarse struktuuri. Valk omandab bioloogilise aktiivsuse ainult siis, kui selle protomeerid ühinevad. Kvaternaarse struktuuri stabiliseerimisel osalevad samad interaktsioonitüübid kui tertsiaarstruktuuri stabiliseerimisel.

Mõned teadlased tunnistavad valkude struktuurilise korralduse viienda taseme olemasolu. seda metaboolid - erinevate ensüümide polüfunktsionaalsed makromolekulaarsed kompleksid, mis katalüüsivad kogu substraadi transformatsioonide teed (kõrgemad rasvhapete süntetaasid, püruvaatdehüdrogenaasi kompleks, hingamisahel).

Peptiidside määrab valgu molekuli primaarstruktuuri selgroo (harja) ja annab sellele jäikuse.

Tunni teoreetilised alused

Valgu molekuli struktuur

Tunni eesmärk: uurida valgu molekulide makromolekulaarse organiseerituse tüüpe.

Valkude esmane struktuur- aminohapete järjestus polüpeptiidahelas (või -ahelates) ja disulfiidsidemete asukoht (kui neid on).

Primaarstruktuuri stabiliseerivad kovalentsed sidemed: peptiid, mõnes peptiidis ja disulfiid.

Primaarstruktuuri kovalentsete sidemete hävitamine - hüdrolüüs: 1) happeline - 6 N. HCl, 100-110 0 С, 24 tundi; 2) ensümaatiline - proteolüütiliste ensüümide abil maos pH 1,5-5,0 juures - pepsiin; trüpsiin, kümotrüpsiin, karboksüpeptidaasid - kaksteistsõrmiksooles; dipeptidaasid, tripeptidaasid ja aminopeptidaasid - peensooles, pH 8,6 juures.

Peptiidsideme iseloomustus... Peptiidside on tasane (koplanaarne). C-N side meenutab kaksiksidet (pöörlemine on võimatu) tänu p, π - konjugatsioonile (aatomi vaba elektronpaari konjugatsioon kaksiksideme C = O π-elektronidega).

Aminohapete järjestus valgu primaarstruktuuris on selle valgu spetsiifilised liigiomadused.

Valgu esmane struktuur geneetiliselt määratud ja reprodutseeritud transkriptsiooni ja translatsiooni protsessides.

Valgu esmane struktuur on põhiline järgnevate valgustruktuuride moodustamiseks polüpeptiidahela aminohappejääkide radikaalide vastasmõju tõttu.

L-seeria aminohappe asendamine D-seeria aminohappega või isegi ühe L-aminohappe asendamine teisega võib viia täieliku kadumiseni bioloogiline aktiivsus peptiid.

Füsioloogiliselt aktiivsed peptiidid sisaldavad 3 kuni 100 aminohappejääki (MW alla 6000 Da). Erinevalt valkudest võivad polüpeptiidid sisaldada mitteproteinogeenseid või modifitseeritud proteinogeenseid aminohappeid. Näited:

1. Bradükiniin ja kallidiin põhjustavad silelihaste lõdvestamist ja on spetsiifiliste a2-globuliinide proteolüüsi produktid plasmas, seetõttu sisaldavad need peptiidid ainult proteinogeenseid aminohappeid:

bradükiniin: arg-pro-pro-gly-phen-ser-pro-phen-arg;

kallidiin: Liz-arg-pro-pro-gli-fen-ser-pro-fen-arg.

2. Glutatiooni (γ-glu-cis-gly) leidub kõigis rakkudes. See on vajalik aminohapete transportimiseks läbi membraanide, paljude ensüümide tööks. Säilitab disulfiidsidemed, sisaldab ebatüüpilist peptiidsidet, kui glutamaat on seotud tsüsteiiniga, mitte α-aminorühma kaudu.

Valkude polümorfism- see on sama valgu olemasolu mitmes molekulaarses vormis, mis erinevad primaarstruktuurilt, füüsikaliselt keemilised omadused ja bioloogilise aktiivsuse ilmingud.



Valkude polümorfismi põhjused on geenide rekombinatsioonid ja mutatsioonid. Isoproteiinid on valgu mitmed molekulaarsed vormid, mida leidub samade organismides bioloogilised liigid liigi genofondis rohkem kui ühe struktuurgeeni esinemise tulemusena. Mitu geeni võib kujutada mitme alleelina või mitme geeni lookusena.

Valgu polümorfismi näited.

1. Valkude polümorfism fülogeneesis - homoloogsete valkude olemasolu erinevates liikides. Nendes valkudes jäävad nende funktsiooni eest vastutavad primaarstruktuuri piirkonnad konserveerituks (muutumatuks). Inimorganismis kaotatud valkude asendamiseks kasutatakse loomade homoloogseid valke, mille primaarstruktuuris on erinevused minimaalsed (veise, sea, kašelotti insuliin).

2. Valkude polümorfism ontogeneesis - homoloogsete valkude olemasolu organismi elutsükli erinevates osades. Lootel on hemoglobiin F (loote hemoglobiin, α 2 γ 2, on kõrge hapnikuafiinsusega). Pärast sündi asendatakse see hemoglobiiniga A1 (a 2 b 2).

3. Valkude kudede polümorfism. Sama ensüüm erinevates rakkudes katalüüsib sama reaktsiooni, kuid sellel on erinevused primaarstruktuuris – isoensüümides. Isoensüümide määramine veres aitab diagnoosida konkreetse koe kahjustusi.

4. Valgu polümorfism patoloogias. Mõelge näitele mitmest pärilike mutatsioonide vormist. Sellisel juhul asendatakse happeline aminohape aluselise või neutraalsega kõige sagedamini:

HbC puhul glu 6 asendamine β-ahelas lüüsiga;

HbE-s Glu 26 asendamine β-ahelas lüüsiga;

HbI puhul lys 16 asendamine β-ahelas asp-ga;

HbS-is glo 6 asendamine β-ahelas võlliga.

Viimasel juhul tekib selline haigus nagu sirprakuline aneemia. Ebanormaalsed hemoglobiinid erinevad normaalsest laengu suuruse ja elektroforeetilise liikuvuse poolest. Füüsikalis-keemiliste muutustega hemoglobiinides kaasneb hapniku transpordi halvenemine.

Sekundaarne valgu struktuur- vesiniksidemetega stabiliseeritud polüpeptiidahela korrapärane organiseeritus. Vesiniksidemed tekivad peptiidsidemete NH ja CO rühmade vahel. Eristage a-heeliksit, b-struktuuri ja korrastamata konformatsiooni (mähis).

a-spiraal. Polüpeptiidahela keerdumine toimub päripäeva (paremakäeline spiraal), mis on tingitud L-aminohapete struktuurist. Heeliksi iga pöörde (sammu) kohta on 3,6 aminohappejääki. Heeliksi samm on 0,54 nm, 0,15 nm aminohappejäägi kohta. Spiraali tõusunurk on 26 0. iga 5 heeliksi pöörde järel (18 aminohappejääki) korratakse polüpeptiidahela struktuuri. Vesiniksidemed on paralleelsed spiraali teljega ja tekivad iga esimese ja iga viienda aminohappejäägi vahel. A-heeliksi moodustumist takistavad proliin ja aminohapped koos mahukate ja laetud radikaalidega.

Β-Struktuur. Fibrillaarsetes valkudes on kaks või enam lineaarset polüpeptiidahelat tihedalt seotud vesiniksidemetega, mis on risti molekuli teljega (volditud b-kiht). Kui kaks polüpeptiidahelat, mis jooksevad samas suunas N-otsast C-otsani, on ühendatud ahelatevaheliste vesiniksidemetega, siis on tegemist paralleelse β-struktuuriga. Kui ahelate N- ja C-ots on vastassuunas, siis on tegemist antiparalleelse b-struktuuriga. Kui üks polüpeptiidahel paindub ja jookseb endaga paralleelselt, siis on see antiparalleelne β-riststruktuur. Keti painutuspunktid määratakse pro, gli, asn-b-bend abil.

Häiritud konformatsioon. Valgumolekuli piirkondi, mis ei kuulu spiraalsetesse või volditud struktuuridesse, nimetatakse korratuteks. Graafilises esituses on spiraalsed sektsioonid kujutatud silindrina ja volditud konstruktsioonid - noolega. Eristatakse mõistet suprasekundaarne struktuur, milleks on a-spiraalsete lõikude ja b-struktuuride korrapärane vaheldumine.

Tertsiaarne struktuur- polüpeptiidahela kui terviku konformatsioon (st asukoht kolmemõõtmelises ruumis). Tertsiaarset struktuuri stabiliseerivad sidemed ja interaktsioonid polüpeptiidahela aminohappejääkide radikaalide vahel: kovalentsed - disulfiidsidemed, samuti vesinik-, ioonsidemed ja hüdrofoobsed interaktsioonid. Tertsiaarse struktuuriga valkude tüübid:

valgud, milles domineerivad a-spiraalsed piirkonnad, on gloobulite kujul (globulaarsed valgud) ja toimivad dünaamilised funktsioonid;

valgud, milles domineerivad volditud b-kihi struktuurid, on niitja kujuga (fibillaarsed valgud) ja täidavad struktuurifunktsioone;

kollageen on loomamaailmas kõige rikkalikum valk (kuni 25% kõigist kehavalkudest), erilise struktuuriga. Kollageeni (tropokollageeni) molekul koosneb kolmest polüpeptiidahelast. Iga polüpeptiidahel sisaldab umbes 1000 aminohappejääki (35% glütsiini, 21% proliini ja hüdroksüproliini, 11% alaniini). Igal polüpeptiidahelal on tihe heeliksi konformatsioon (3 aminohappejääki pöörde kohta). Tropokollageeni molekulis on kõik kolm heeliksit üksteisega põimunud, moodustades kimbu. Peptiidrühmade toimel tekivad heeliksite vahel vesiniksidemed. See struktuur tagab kollageenikiudude tugevuse.

Loodusliku valgu struktuur.

Paljudel tertsiaarse struktuuri valkudel on keerdunud, volditud ja korrastamata segmendid. Samas on see funktsionaalses ja struktuurilises mõttes oluline vastastikune korraldus aminohappe radikaalid. Kasutatakse järgmisi termineid:

domeenid – valgu tertsiaarse struktuuri anatoomiliselt eristuvad piirkonnad, mis vastutavad valgu spetsiifilise funktsiooni täitmise eest;

hüdrofoobsed taskud – tertsiaarse struktuuri õõnsused, mis on vooderdatud hüdrofoobsete aminohapete radikaalidega; kasutatakse hüdrofoobsete ligandide sukeldamiseks valgu molekuli;

hüdrofoobsed klastrid – valgupinna alad, kus on kontsentreeritud hüdrofoobsete aminohapete radikaalid; toimivad koostoimes teiste molekulide hüdrofoobsete klastritega.

Funktsiooni täitmiseks peab valgul olema kindel ja sageli ainult tertsiaarne struktuur (konformatsioon) – natiivne struktuur.

See on põhjustatud üksteisest kaugel asuvate aminohappejääkide vastasmõjust lineaarses järjestuses. Hooldustegurid:

    vesiniksidemed

    hüdrofoobsed interaktsioonid (vajalikud valgu struktuuri ja bioloogiliste funktsioonide jaoks)

    disulfiid- ja soolasillad

    ioonsed ja van der Waalsi sidemed.

Enamikus valkudes sisaldab molekulide pind hüdrofiilsete omadustega aminohapperadikaalide jääke. HC - radikaalid, mis on hüdrofoobsed ja paiknevad molekulide sees. See jaotus on oluline valgu loomuliku struktuuri ja omaduste kujunemisel.

Selle tulemusena on valkudel hüdratatsioonikest ja tertsiaarse struktuuri stabiliseerumine on suuresti tingitud hüdrofoobsetest interaktsioonidest. Näiteks 25-30% aminohappejääkidest globuliini molekulides on väljendunud hüdrofoobsete radikaalidega, 45-50% sisaldab ioonseid ja polaarseid radikaalirühmi.

Valkude struktuuri eest vastutavad aminohappejääkide külgahelad eristuvad suuruse, kuju, laengu ja vesiniksidemete moodustamise võime, samuti keemilise reaktsioonivõime järgi:

    alifaatsed külgahelad nagu valiin, alaniin. Just need jäägid moodustavad hüdrofoobseid interaktsioone.

    hüdroksüülitud alifaatne (seeria, treoniin). Need aminohappejäägid osalevad vesiniksidemete, aga ka estrite, näiteks väävelhappega, moodustamisel.

    aromaatsed - need on fenüülalaniini, türosiini, trüptofaani jäänused.

    aluseliste omadustega aminohappejäägid (lüsiin, arginiin, histidiin). Selliste aminohapete ülekaal polüpeptiidahelas annab valkudele põhiomadused.

    happeliste omadustega jäägid (asparagiin- ja glutamiinhape)

    amiid (asparagiin, glutamiin)

Mitu polüpeptiidahelat sisaldavatel valkudel on kvaternaarne struktuur. See viitab sellele, kuidas kettid üksteise suhtes asetatakse. Neid ensüüme nimetatakse subühikuteks. Praegu on tavaks kasutada terminit "domeen", mis tähistab valgu molekuli kompaktset kerakujulist ühikut. Paljud valgud koosnevad mitmest sellisest ühikust massiga 10–20 kDa. Kõrge molekulmassiga valkudes on üksikud domeenid ühendatud PCP suhteliselt paindlike piirkondadega. Loomade ja inimeste kehas on veelgi keerukamaid valkude struktuurseid organisatsioone, mille näiteks võivad olla multiensüümsüsteemid, eriti püruvaadi dekarboksülaasi kompleks.

Loodusliku valgu mõiste

Teatud pH ja temperatuuri väärtuste korral on PCP-l reeglina ainult üks konformatsioon, mida nimetatakse natiivseks ja milles kehas olev valk täidab oma spetsiifilist funktsiooni. Peaaegu alati domineerib see üksik konformatsioon energeetiliselt üle kümnete ja sadade muude konformatsioonide variantide.

Klassifikatsioon. Valkude bioloogilised ja keemilised omadused

Valkude klassifitseerimine ei ole rahuldav, neid klassifitseeritakse tavapäraselt nende ruumilise struktuuri, lahustuvuse, bioloogiliste funktsioonide, füüsikalis-keemiliste omaduste ja muude omaduste järgi.

1. Molekulide struktuuri ja kuju järgi jagunevad valgud järgmisteks osadeks:

    kerajas (sfääriline)

    fibrillaarne (filamentne)

2. keemiline koostis jaguneb:

Lihtsad, mis koosnevad ainult aminohappejääkidest

Kompleksne, nende molekulides on mittevalgulised ühendid. Komplekssete valkude klassifikatsioon põhineb mittevalgukomponentide keemilisel olemusel.

Üks peamisi klassifikatsiooni tüüpe:

Z. vastavalt teostatud bioloogilistele funktsioonidele:

Ensümaatiline katalüüs. Bioloogilistes süsteemides katalüüsivad kõiki keemilisi reaktsioone spetsiifilised valgud, ensüümid. Rohkem kui 2000 teada

ensüümid. Ensüümid on võimsad biokatalüsaatorid, mis kiirendavad reaktsiooni vähemalt 1 miljon korda.

Transport ja kogumine

Paljude väikeste molekulide ja erinevate ioonide ülekandmist teostavad sageli spetsiifilised valgud, näiteks hemoglobiin, müoglobiin, mis kannavad hapnikku. Kogunemise näide: Ferritiin koguneb maksas.

koordineeritud liikumine. Valgud on kontraktiilsete lihaste (aktiini- ja müosiinkiud) põhikomponent. Liikumine mikroskoopilisel tasemel on kromosoomide eraldumine mitoosi ajal, spermatosoidide liikumine lipukeste tõttu.

    mehaaniline tugi. Naha ja luude kõrge elastsus on tingitud fibrillaarse valgu – kollageeni – olemasolust.

    immuunkaitse. Antikehad on väga spetsiifilised valgud, mis suudavad ära tunda ja siduda viiruseid, baktereid ja teiste organismide rakke.

Impulsside genereerimine ja edastamine. Närvirakkude reaktsiooni impulssidele vahendavad retseptorvalgud

kasvu ja diferentseerumise reguleerimine. Rakkude diferentseerumise kasvuks on vajalik geneetilise informatsiooni ekspressioonijärjestuse range reguleerimine. Organismi elu jooksul avaldub igal ajal ainult väike osa raku genoomist. Näiteks teatud valgukompleksi toimel moodustub kõrgemates organismides neuronite võrgustik.

Peptiidide ja valkude muud funktsioonid hõlmavad hormonaalseid funktsioone. Pärast seda, kui inimesed õppisid hormonaalseid peptiide sünteesima, hakkas neil olema biomeditsiiniline tähtsus. Peptiidid on erinevad antibiootikumid, nagu valinomütsiin, kasvajavastased ravimid. Lisaks täidavad valgud mehaanilise kaitse funktsioone (juuste keratiin või limaskestad, mis vooderdavad seedetrakti või suuõõne).

Mis tahes elusorganismide olemasolu peamine ilming on nende omasuguste paljunemine. Lõppkokkuvõttes on pärilik teave kõigi organismi valkude aminohappejärjestuse kodeerimine. Valgutoksiinid mõjutavad inimeste tervist.

Valkude molekulmassi mõõdetakse daltonites (Da) - see on massiühik, mis on peaaegu võrdne vesiniku massiga (-1 000). Terminid dalton ja molekulmass on sisestatud vaheldumisi. Enamiku valkude Mr on vahemikus 10 kuni 100 000.

Riis. 3.9. Laktoglobuliini tertsiaarne struktuur - tüüpiline a / p-valk (vastavalt PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, JH, Cooper, R., Flower, DR, Yewdall, SJ, Polikarpov, I., North, AC, Sawyer, L.: Struktuur, 5, lk 481.1997)

Ruumiline struktuur ei sõltu polüpeptiidahela pikkusest, vaid igale valgule omaste aminohappejääkide järjestusest, samuti vastavatele aminohapetele iseloomulikest kõrvalradikaalidest. Valgu makromolekulide ruumiline kolmemõõtmeline struktuur või konformatsioon moodustuvad peamiselt vesiniksidemetest, aga ka hüdrofoobsetest interaktsioonidest aminohapete mittepolaarsete külgradikaalide vahel. Vesiniksidemed mängivad tohutut rolli valgu makromolekuli ruumilise struktuuri kujunemisel ja säilitamisel. Kahe elektronegatiivse aatomi vahel moodustub vesinikside ühega neist aatomitest kovalentselt seotud vesiniku prootoni kaudu. Kui vesinikuaatomi üksik elektron osaleb elektronipaari moodustamises, tõmbab prootonit ligi naaberaatom, moodustades vesiniksideme. Vesiniksideme tekkimise eelduseks on vähemalt ühe elektronegatiivse aatomi vaba elektronpaari olemasolu. Mis puutub hüdrofoobsetesse interaktsioonidesse, siis need tekivad kokkupuutel mittepolaarsete radikaalide vahel, mis ei suuda lõhkuda vesiniksidemeid veemolekulide vahel, mis nihutatakse valgugloobuli pinnale. Valgu sünteesimisel kogutakse gloobuli sisse mittepolaarsed keemilised rühmad ja polaarsed nihkuvad selle pinnale. Seega võib valgumolekul olla neutraalne, positiivselt laetud või negatiivne, sõltuvalt lahusti pH -st ja valgu ionogeensetest rühmadest. Nõrgad interaktsioonid hõlmavad ka ioonseid sidemeid ja van der Waalsi interaktsioone. Lisaks säilitab valkude konformatsiooni kovalentne S-S lingid moodustub kahe tsüsteiinijäägi vahel. Hüdrofoobsete ja hüdrofiilsete interaktsioonide tulemusena võtab valgumolekul spontaanselt ühe või mitu termodünaamiliselt kõige soodsamat konformatsiooni ja kui mis tahes välismõjude tagajärjel on natiivne konformatsioon häiritud, on selle täielik või peaaegu täielik taastumine võimalik. Seda näitas esimest korda K. Anfinsen, kasutades näitena katalüütiliselt aktiivset proteiinribonukleaasi. Selgus, et uurea või p-merkaptoetanooliga kokkupuutel muutub selle konformatsioon ja selle tagajärjel katalüütilise aktiivsuse järsk langus. Karbamiidi eemaldamine viib valgu konformatsiooni üleminekuni algsesse olekusse ja katalüütiline aktiivsus taastub.

Seega on valkude konformatsioon kolmemõõtmeline struktuur ja selle moodustumise tulemusena lähenevad paljud polüpeptiidahela kaugemates piirkondades asuvad aatomid üksteisele ja omandavad üksteisele toimides uusi omadusi, mis puuduvad üksikutes aminorühmades. happed või väikesed polüpeptiidid. See on nn tertsiaarne struktuur, mida iseloomustab polüpeptiidahelate orientatsioon ruumis (joonis 3.9). Kera- ja fibrillaarsete valkude tertsiaarne struktuur erineb üksteisest oluliselt. Valgumolekuli vastuvõetud vormi iseloomustab selline näitaja nagu asümmeetria aste (molekuli pika telje ja lühikese telje suhe). Globulaarsetes valkudes on asümmeetria aste 3–5, nagu fibrillaarsete valkude puhul, on see väärtus palju suurem (80–150).

Kuidas siis esmased ja sekundaarsed voltimata struktuurid muudetakse kokkuvarisenud, väga stabiilseks vormiks? Arvutused näitavad, et teoreetiliselt võimalike valkude kolmemõõtmeliste struktuuride moodustumise kombinatsioonide arv on mõõtmatult suurem kui looduses tegelikult eksisteerivad. Ilmselt on konformatsioonilise stabiilsuse peamiseks teguriks energeetiliselt soodsaimad vormid.

Sulakuuli hüpotees. Üks võimalus uurida polüpeptiidahela voltimist kolmemõõtmeliseks struktuuriks on valgu molekuli denatureerimine ja sellele järgnev reküllastumine.

K. Anfinseni katsed ribonukleaasiga näitavad ühemõtteliselt võimalust koostada täpselt see ruumiline struktuur, mis denaturatsiooni tagajärjel häiritud (joon. 3.10).

Sellisel juhul ei vaja natiivse konformatsiooni taastamine täiendavaid struktuure. Millised on kõige tõenäolisemad mudelid polüpeptiidahela voltimiseks vastavaks konformatsiooniks? Üks levinumaid valgu iseorganiseerumise hüpoteese on sula gloobulite hüpotees. Selle kontseptsiooni raames eristatakse mitmeid valgu isekoostumise etappe.

  • 1. Voldimata polüpeptiidahelas moodustuvad vesiniksidemete ja hüdrofoobsete interaktsioonide abil sekundaarstruktuuri eraldi lõigud, mis toimivad seemnetena terviklike sekundaarsete ja supersekundaarsete struktuuride moodustamiseks.
  • 2. Kui nende kohtade arv jõuab teatud läviväärtuseni, toimub külgradikaalide ümberorientatsioon ja polüpeptiidahela üleminek uuele, kompaktsemale vormile ning mittekovalentsete sidemete arv.

Riis. 3.10.

suureneb oluliselt. Selle etapi iseloomulik tunnus on spetsiifiliste kontaktide moodustumine aatomite vahel, mis asuvad polüpeptiidahela kaugemates piirkondades, kuid mis osutusid tertsiaarse struktuuri moodustumise tõttu lähedaseks.

3. Viimases etapis moodustub valgumolekuli looduslik konformatsioon, mis on seotud disulfiidsidemete sulgemise ja valgu konformatsiooni lõpliku stabiliseerumisega. Samuti on võimalik, et mittespetsiifiline agregatsioon on osaliselt volditud.

polüptiidahelad, mida võib klassifitseerida looduslike valkude moodustumise vigadeks. Osaliselt volditud polüpeptiidahel (etapp 2) nimetatakse sula gloobuliks ja lava 3 on küpse valgu moodustumisel kõige aeglasem.

Joonisel fig. 3.11 näitab ühe geeni poolt kodeeritud valgu makromolekuli moodustumise varianti. Siiski on teada, et mitmed domeeniga valgud

Riis. 3.11.

(NK Nagradova järgi) struktuur moodustub geenide dubleerimise tulemusena ning kontaktide loomine eraldi domeenide vahel nõuab lisapingutusi. Selgus, et rakkudel on spetsiaalsed mehhanismid äsja sünteesitud valkude voltimise reguleerimiseks. Praegu on avastatud kaks ensüümi, mis on seotud nende mehhanismide rakendamisega. Üks polüpeptiidahela voltimise kolmanda etapi aeglasemaid reaktsioone on *

Riis. 3.12.

Lisaks sisaldavad rakud mitmeid katalüütiliselt mitteaktiivseid valke, mis sellele vaatamata annavad suure panuse valkude ruumiliste struktuuride moodustamisse. Need on nn chaperonid ja chaperoniinid (joon. 3.12). Üks molekulaarsete chaperoonide avastajatest L. Ellis nimetab neid mitteseotud valguperekondade funktsionaalseks klassiks, mis aitab korrektselt mittekovalentselt kokku panna teisi polüpeptiide sisaldavaid struktuure in vivo, kuid ei kuulu kokkupandud struktuuridesse ega ole seotud normaalsete füsioloogiliste funktsioonide rakendamisel.

Tšaperoonid aitavad kaasa kolmemõõtmelise valgu konformatsiooni õigele kokkupanekule, moodustades osaliselt volditud polüpeptiidahelaga pöörduvaid mittekovalentseid komplekse, inhibeerides samal ajal väärarenenud sidemeid, mis põhjustavad funktsionaalselt inaktiivsete valgustruktuuride moodustumist. Tšaperoonidele omaste funktsioonide loend sisaldab sulanud gloobulite kaitset agregatsiooni eest, samuti äsja sünteesitud valkude ülekandmist erinevatesse raku lookustesse. Šaperoonid on valdavalt kuumašoki valgud, mille süntees suureneb stressitemperatuuril järsult, seetõttu nimetatakse neid ka hsp (kuumašoki valgud). Nende valkude perekondi leidub mikroobi-, taime- ja loomarakkudes. Saatjate klassifikatsioon põhineb nende molekulmass, mis varieerub vahemikus 10 kuni 90 kDa. Põhimõtteliselt erinevad chaperonite ja chaperoniinide funktsioonid, kuigi mõlemad on valgud, mis aitavad moodustada valkude kolmemõõtmelist struktuuri. Chaperonid hoiavad äsja sünteesitud polüpeptiidahelat voltimata olekus, takistades selle kokkukukkumist natiivsest erinevasse vormi, ja chaperoniinid loovad tingimused ainsa õige, natiivse valgu struktuuri moodustamiseks (joonis 3.13).

Riis. 3.13.

Tšaperoonid / on seotud ribosoomist laskuva nanstseeriva polüpeptiidahelaga. Pärast polüpeptiidahela moodustumist ja selle vabanemist ribosoomist seonduvad chaperonid sellega ja takistavad agregatsiooni 2. Pärast tsütoplasmas voltimist eraldatakse valgud chaperoonist ja viiakse vastavasse chaperoniini, kus toimub tertsiaarse struktuuri lõplik moodustumine. 3. Tsütosoolse chaperoni abil liiguvad valgud mitokondrite välismembraani, kus mitokondriaalne chaperon tõmbab need mitokondritesse ja “kannab” üle mitokondriaalsele chaperoniinile, kus toimub voltimine. 4, 5 on sarnane 4 , vaid seoses endoplasmaatilise retikulumiga.

Valgu tertsiaarne struktuur on viis, kuidas polüpeptiidahelat volditakse kolmemõõtmelises ruumis. See konformatsioon tekib moodustumise tõttu keemilised sidemedüksteisest kaugel asuvate aminohapperadikaalide vahel. See protsess viiakse läbi raku molekulaarsete mehhanismide osalusel ja sellel on suur roll valkudele funktsionaalse aktiivsuse andmisel.

Tertsiaarse struktuuri tunnused

Valkude tertsiaarsele struktuurile on iseloomulikud järgmised keemilised vastasmõjud:

  • iooniline;
  • vesinik;
  • hüdrofoobne;
  • van der Waals;
  • disulfiid.

Kõik need sidemed (v.a kovalentne disulfiidside) on väga nõrgad, kuid hulga tõttu stabiliseerivad molekuli ruumilist kuju.

Tegelikult on polüpeptiidahelate voltimise kolmas tase kombinatsioon sekundaarse struktuuri erinevatest elementidest (α-heeliksid; β-volditud kihid ja silmused), mis on külgmiste aminohapperadikaalide vahelise keemilise koostoime tõttu ruumis orienteeritud. Valgu tertsiaarse struktuuri skemaatiliseks tähistamiseks tähistatakse α-heelikseid silindrite või spiraalselt keerdunud joontega, volditud kihte nooltega ja silmuseid lihtsate joontega.

Tertsiaarse konformatsiooni olemuse määrab ahela aminohapete järjestus; seetõttu vastavad kaks sama primaarstruktuuriga molekuli võrdsetel tingimustel samale ruumilise voltimise variandile. See konformatsioon tagab valgu funktsionaalse aktiivsuse ja seda nimetatakse natiivseks.

Valgumolekuli voltimise käigus lähenevad aktiivse keskuse komponendid üksteisele, mida saab esmases struktuuris üksteisest oluliselt eemaldada.

Üheahelaliste valkude puhul on tertsiaarne struktuur lõplik funktsionaalne vorm. Komplekssed mitmesubühikulised valgud moodustavad kvaternaarse struktuuri, mis iseloomustab mitme ahela paigutust üksteise suhtes.

Keemiliste sidemete iseloomustus valgu tertsiaarstruktuuris

Polüpeptiidahela voltimine on suuresti tingitud hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete radikaalide vahekorrast. Esimesed kipuvad suhtlema vesinikuga (vee koostisosa) ja asuvad seetõttu pinnal, hüdrofoobsed alad aga tormavad molekuli keskmesse. See konformatsioon on energeetiliselt kõige soodsam. Selle tulemusena moodustub hüdrofoobse südamikuga gloobul.

Hüdrofiilsed radikaalid, mis siiski langevad molekuli keskmesse, interakteeruvad üksteisega, moodustades ioonseid või vesiniksidemeid. Ioonsed sidemed võivad tekkida vastupidiselt laetud aminohapperadikaalide vahel, milleks on:

  • arginiini, lüsiini või histidiini katioonsed rühmad (on positiivse laenguga);
  • glutamiin- ja asparagiinhappe radikaalide karboksüülrühmad (on negatiivse laenguga).

Vesiniksidemed tekivad laenguta (OH, SH, CONH 2) ja laetud hüdrofiilsete rühmade vastasmõjul. Kovalentsed sidemed (kõige tugevamad tertsiaarses konformatsioonis) tekivad tsüsteiinijääkide SH-rühmade vahel, moodustades niinimetatud disulfiidsillad. Tavaliselt on need rühmad lineaarses ahelas üksteisest kaugel ja lähenevad ainult virnastamisprotsessi ajal. Disulfiidsidemed ei ole tüüpilised enamiku rakusiseste valkude jaoks.

Konformatsiooniline labiilsus

Kuna valgu tertsiaarstruktuuri moodustavad sidemed on väga nõrgad, võib aatomite Browni liikumine aminohapete ahelas viia nende purunemiseni ja uutesse kohtadesse tekkeni. See toob kaasa molekuli üksikute piirkondade ruumilise kuju vähese muutumise, kuid ei riku valgu natiivset konformatsiooni. Seda nähtust nimetatakse konformatsiooniliseks labiilsuseks. Viimane mängib rakuprotsesside füsioloogias tohutut rolli.

Valgu konformatsiooni mõjutavad selle interaktsioonid teiste molekulidega või muutused keskkonna füüsikalis-keemilistes parameetrites.

Kuidas moodustub valgu tertsiaarne struktuur

Valgu natiivseks vormiks voltimise protsessi nimetatakse voltimiseks. See nähtus põhineb molekuli soovil aktsepteerida konformatsiooni vaba energia minimaalse väärtusega.

Ükski valk ei vaja kolmanda taseme struktuuri määramiseks instruktori vahendajaid. Voltimismuster on algselt "kirjutatud" aminohappejärjestuses.

Normaalsetes tingimustes kuluks aga rohkem kui triljon aastat, enne kui suur valgumolekul omandaks oma algstruktuurile vastava natiivse konformatsiooni. Sellest hoolimata kestab see protsess elusrakus vaid mõnikümmend minutit. Sellise olulise aja lühendamise tagab spetsiaalsete abivalkude - folaaside ja chaperoonide - voltimises osalemine.

Väikeste valgumolekulide (ahelas kuni 100 aminohapet) voltimine toimub üsna kiiresti ja ilma vahendajate osaluseta, nagu näitavad in vitro katsed.

Kokkupandavad tegurid

Voldimisel osalevad abivalgud on jagatud kahte rühma:

  • folaasid - omavad katalüütilist aktiivsust, neid on vaja substraadi kontsentratsioonist oluliselt madalamas koguses (nagu ka teised ensüümid);
  • chaperones - erinevate toimemehhanismidega valke, on vaja kontsentratsioonis, mis on võrreldav volditud substraadi kogusega.

Mõlemat tüüpi tegurid on voltimisel kaasatud, kuid ei kuulu lõpptoote hulka.

Fopaasirühma esindavad 2 ensüümi:

  • Valgu disulfiidisomeraas (PDI) - kontrollib disulfiidsidemete õiget moodustumist valkudes, milles on palju tsüsteiinijääke. See funktsioon on väga oluline, kuna kovalentsed interaktsioonid on väga tugevad ja ekslike ühenduste korral ei saanud valk iseseisvalt ümber paigutada ja eeldada loomulikku konformatsiooni.
  • Peptidüül-prolüül-cis-trans-isomeraas - muudab proliini külgedel paiknevate radikaalide konfiguratsiooni, mis muudab selles kohas polüpeptiidahela painde olemust.

Seega mängivad folaasid valgumolekuli tertsiaarse konformatsiooni moodustamisel korrigeerivat rolli.

Saatjad

Saatejuhte nimetatakse teisiti või stressiks. Selle põhjuseks on nende sekretsiooni märkimisväärne suurenemine, millel on negatiivne mõju rakule (temperatuur, kiirgus, raskmetallid jne).

Chaperonid kuuluvad kolme valgu perekonda: hsp60, hsp70 ja hsp90. Need valgud täidavad mitmeid funktsioone, sealhulgas:

  • valkude kaitse denaturatsiooni eest;
  • äsja sünteesitud valkude koostoime välistamine;
  • radikaalide vaheliste valede nõrkade sidemete tekkimise ja nende labialiseerumise vältimine (korrigeerimine).

Seega aitavad chaperonid kaasa energeetiliselt õige konformatsiooni kiirele omandamisele, välistades paljude variantide juhusliku loendamise ja kaitstes veel küpsemata valgumolekule tarbetu üksteisega suhtlemise eest. Lisaks pakuvad saatjad:

  • teatud tüüpi valkude transport;
  • ümbervoltimise juhtimine (tertsiaarse struktuuri taastamine pärast selle kaotamist);
  • lõpetamata voltimise oleku säilitamine (mõnede valkude puhul).

Viimasel juhul jääb chaperone molekul pärast voltimisprotsessi lõppu seotuks valguga.

Denaturatsioon

Valgu tertsiaarse struktuuri rikkumist mis tahes tegurite mõjul nimetatakse denaturatsiooniks. Loodusliku konformatsiooni kadumine toimub siis, kui hävib suur hulk molekuli stabiliseerivaid nõrku sidemeid. Sellisel juhul kaotab valk oma spetsiifilise funktsiooni, kuid säilitab oma esmase struktuuri (denatureerimisel peptiidsidemed ei hävi).

Denaturatsiooni käigus toimub valgu molekuli ruumiline suurenemine ja hüdrofoobsed piirkonnad tulevad taas pinnale. Polüpeptiidahel omandab korrastamata spiraali konformatsiooni, mille kuju sõltub sellest, millised valgu tertsiaarstruktuuri sidemed on katkenud. Sellisel kujul on molekul vastuvõtlikum proteolüütiliste ensüümide toimele.

Tertsiaarset struktuuri häirivad tegurid

On mitmeid füüsikalisi ja keemilisi mõjusid, mis võivad põhjustada denaturatsiooni. Need sisaldavad:

  • temperatuur üle 50 kraadi;
  • kiirgus;
  • keskkonna pH muutmine;
  • raskmetallide soolad;
  • mõned orgaanilised ühendid;
  • pesuvahendid.

Pärast denatureeriva toime lõpetamist võib valk taastada tertsiaarse struktuuri. Seda protsessi nimetatakse renaturatsiooniks või ümbervoltimiseks. In vitro on see võimalik ainult väikeste valkude puhul. Elusrakus pakuvad chaperonid uuesti voltimist.